全球變暖潛能值的計算及其演變

陳 佳 君

（上海愷達國際貿易有限公司，上海 200010）

0 引 言

臭氧層的破壞和全球氣候變化，是當今世界所面臨的主要環境問題。由于廣泛使用于制冷、空調、熱泵行業的鹵化物制冷劑（CFCs與HCFCs）都屬于溫室氣體（Green House Gas），對臭氧層有破壞作用并產生溫室效應。為了符合環境保護的要求，需選用ODP（Ozone Depletion Potential）值為零，全球變暖潛能值GWP（Global Warming Potential）值較低HFC替代CFC和HCFC。但在查閱各類出版物，不免發現同一制冷劑的 GWP值在各制冷劑制造商的產品資料或各國學院對各制冷劑性能研究報告和 IPCC（The Intergovernmental Panel on Climate Change）的評估報告中都不一致[1～5]。通過對GWP的計算及演變進行歸納，供相關從業人員參考。

1 全球變暖潛能值及國際評估機構

1.1 全球變暖潛能值

GWP是一個相對值，表示某一種溫室氣體能夠捕獲得到的空氣中的熱量。一定質量的溫室氣體所捕獲得到的熱量相對于同樣質量的CO2所捕獲的熱量之比。即將特定氣體和相同質量CO2比較之下，造成全球暖化的相對能力，是衡量溫室氣體對全球暖化的影響。

GWP是在一定時間間隔內計算得到的，表示為CO2的一個因數（CO2的GWP是1）。例如，20a的甲烷氣體的GWP是72，這意味著相同質量的甲烷和CO2被釋放到大氣中，在接下來的20a中，甲烷氣體捕獲得到的熱量是CO2所捕獲得到的72倍。

1.2 政府間氣候變化專門委員會（IPCC）

IPCC是對全球范圍內有關氣候變化及其影響、氣候變化減緩和適應措施的科學、技術、社會、經濟方面的信息進行評估，并根據需求為《聯合國氣候變化框架公約》（The United Nations Framework Convention on Climate Change（UNFCCC））實施提供科學技術咨詢的國際性組織。IPCC不直接評估政策問題，但所評估的科學問題均與政策相關。IPCC 已經于1990年、1995年、2001年和2007年相繼完成了四次評估報告，報告已成為國際社會認識和了解氣候變化問題的主要科學依據，對氣候變化國際談判產生了重要影響。

2 影響GWP值的輻射強迫（RF）及計算模型

2.1 輻射強迫（RF）

RF（radiative forcing capacity）是對某個因子改變地球–大氣系統射入和逸出能量平衡影響程度的一種度量，他同時是一種指數，反映了該因子在潛在氣候變化機制中的重要性。

輻射強迫值定義為相對于工業化前（1750年）的差值，并以瓦/平方米（W/m2）為單位表述。氣體通過吸收和發射輻射產生直接輻射強迫（Direct RF），即正強迫；另外，由于氣體化學反應而影響其他溫室氣體或顆粒的吸收和發射輻射稱之為間接輻射強迫（Indirect FR），即負強迫。正強迫使地球表面變暖，負強迫則使其降冷。目前含溴化物的氣體導致地球表面降溫作用大于升溫；CFCs 和 HCFCs 導致地球表面變暖作用大于降冷；HFCs and PFCs只使地球表面變暖。各鹵烴化物相對于工業化前的正強迫和負強迫差值（至2000年），見圖1[3]。

2.2 伯爾尼碳循環模型

伯爾尼碳循環模型（Bern Carbon Cycle Model）是被設計用來研究人為的二氧化碳排放量與大氣中的二氧化碳濃度間關系，以及前者與在地球的輻射平衡中產生表面溫度信號的瞬態響應擾動間關系。伯爾尼的模型于1996年首次被IPCC SAR（Second Assessment Report）定義為CO2情況分析的標準和計算全球變暖潛值的標準。并于2001年出版了Bern碳循環模式的修正版。

圖1 各鹵烴化物相對于工業化前的正強迫和負強迫差值（至2000年）

3 GWP計算

3.1 單一制冷劑

3.1.1 據1996年版的伯爾尼的模型，GWP的計算

首先，溫室氣體本身的升溫作用依賴于其在大氣中的存在時間。如該氣體釋放到大氣中后經過時間L后，其尚存在的部分為原來的l/e，則經過一定的時間t時其尚存在的部分（相對于1kg）可通過式（1）計算[6]：

對于CO2的氣體的衰變速率，即CO2的大氣壽命，由IPCC SAR建議的式（2）給出 ：

其次，除了氣體的大氣壽命外，氣體的輻射效率，即紅外吸收性值（R）也很重要。以CO2為基準，R12和R134a的R值分別為R-CO2=1；R-R12=5740； R-R134a =4130；

升溫效果是由物質的氣體的衰變速率和各氣體輻射效率決定的。升溫效果是通過在一定的時間段中的積分來進行：

對于CO2的值也用同樣的方式確定。

一化學物質的GWP定義為從開始釋放1kg該物質起，一段時間內輻射效應的對時間積分，相對于同條件下釋放1kg參考氣體（CO2）對應時間積分的比值。故氣體的全球變暖潛能值[2]為：

根據碳循環模型、各氣體輻射效率和各氣體的大氣壽命，計算得耗臭氧制冷劑和替代制冷劑對應不同時期的GWP值（見表1）。

表1 耗臭氧制冷劑和替代制冷劑對應不同時期的GWP值（基于IPCC FAR）[1]

3.1.2 據2001年版的伯爾尼的模型，更新的GWP

首先，對于CO2的氣體的大氣壽命，通過在IPCC AR4建議給出的修正表達式[4]：

式中：a0=0.217，a1=0.259，a2= 0.338，a3= 0.186，τ1= 172.9a，τ2= 18.51a，τ3= 1.186a。

各化學物質的全球變暖潛能值公式為[3]：

式中：TH——計算時的評估期間長度，通常以100a為基準；

ax——1kg氣體的輻射效率，W/m2kg；

x(t)——在1kg氣體在t=0時間釋放到大氣后，隨時間衰減之后的比例；

ar——1kgCO2的輻射效率，W/m2kg；

r(t)——在1kgCO2在t=0時間釋放到大氣后，隨時間衰減之后的比例。

根據更新的碳循環模型、及最新的各氣體輻射效率及氣體衰減周期數據，更新了制冷劑的GWP值（見表2）。

表2 耗臭氧制冷劑和替代制冷劑對應不同時期的GWP值（基于IPCC AR4）[4]

3.1.3 小結

1) 溫室氣體的GWP與以下因素有關：

① 化學物質對于紅外線的吸收能力。即相對于CO2的氣體輻射效率；

② 各氣體在大氣中的壽命，即相對于CO2氣體的衰變速率。

2) 化學物質的GWP為變量：

① IPCC定義GWP是基于在一個時間線為恒定的背景下，評估微量氣體釋放對相對輻射產生的影響；

② 隨著時間的變化，各氣體在大氣中的濃度不為定值，以CO2為例，其濃度逐年遞增（見表3）[1～4]；

表3 各時期CO2濃度 ppmv

③ CO2在大氣中衰減的速率無準確數值，只能根據碳循環模型進行估算（50～200a）；

④ 各氣體的紅外線吸收量（輻射效率）和其濃度成非線性的關系。以CO2為例子（見圖2）。

所以隨著未來大氣CO2濃度增大，其他氣體GWP值也變大。

故在引用GWP于各類學術研究報告時，應標注其數據的來源。可參見表4或日后IPCC出版的評估報告。

表4 單一工質各時期GWP

圖2 從冰芯和現代觀測資料中得到的CO2濃度變化

3.2 混合制冷劑

3.2.1 替代物混合制冷劑

由于從整體上看，多組分制冷劑能較好地滿足多方面的要求，更具有低 GWP、高效、安全、降低轉行成本等優點，所以，HFCs類的混合制冷劑，如R404A、R407C和R410A已廣泛的成為替代CFC和HCFC制冷劑，應用于各空調制冷系統中。多組分制冷劑的成分見表5。

表5 用于替代HCFC-22的混合制冷劑中各成分（重量混合比*）

3.2.2 混合制冷劑的GWP

在 2008年出版的標準號為 BS EN 3 78-1的英國標準《制冷及熱泵系統》第 1冊[6]附件 E“Safety Classification and Information about Refrigerants”的表格中羅列了各混合制冷劑的GWP，但在備注中說明該數據是根據IPCC SAR報告中各單一制冷劑的GWP按各混合制冷劑的重量混合比計算而得的。以R404A GWP值為例：以此為參考計算得出各替代混合制冷劑的各時期GWP（見表6）。

表6 混合制冷劑各時期GWP*

3.2.3 小結

單純地將成分氣體的全球變暖潛能值加權計算得出混合制冷劑的GWP是不可取的，原因如下：

1) IPCC 出版的四次報告中均無混合工質的 GWP。即最具權威的國際組織現在還無法定義混合工質GWP的計算方式；

2) 各混合制冷劑的熱力循環性能（蒸發壓力、冷凝壓力、單位制冷量等）數據都不是通過將成分工質的熱力學參數簡單地加權后計算得出，而是利用各種熱力學方程式（工質狀態方程、Antoine蒸汽壓方程等）詳細計算得出的。故反映混合制冷劑生態學信息之一的GWP不可能靠簡單數學方程式計算獲得。

4 結 語

針對全球變暖潛能值GWP的計算及對相關權威文獻內容綜合介紹及分析，有如下結論和建議：

1) 衡量溫室氣體自身對氣候變暖影響的GWP不為常數。每年隨著溫室氣體在大氣中的濃度，數值將遞增；

2) 在引用GWP于各類學術研究報告時，應標注其數據的來源；

3) 期待IPCC能明確定義混合工質GWP的估算方法及數值。

4) 在各規范條款中需明確GWP限制值的引用出處，或及時更新數據。以船舶海事為例，挪威船級社的“CLEAN”環保入級符號要求使用GWP<3500的制冷劑，按IPCC SAR公布的數據估算的R404A允許被使用，但隨著R404A GWP逐年遞增，導致無法使用。同樣問題發生在為了滿足使用GWP<2000的制冷劑的各船級社較高環保船級符號要求時，替代R22制冷劑并適用于所有工況（高溫(100～0℃)、中溫（0～–20℃）、低溫（–20～–60℃）的R417A被禁用了。

[1] J.T. Houghton, G.J. Jenkins and J.J. Ephraums. Climate Change 1990: The Intergovernmental Panel on Climate Change Scientific Assessment [R]. Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA. 1990：8-17,47-67.

[2] Houghton, J.T., L.G. Meira Filho, J. Bruce, H. Lee, B.A. Callander, E.F. Haites, N. Harris, and K. Maskelll. Climate Change 1994: Radiative Forcing of Climate Change and an Evaluation of the IPCC IS92 Emission Scenarios [R]. USA: Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA. , 1995：76-124.

[3] Houghton, J.T.,Y. Ding, D.J. Griggs, M. Noguer, P.J. van der Linden, X. Dai, K. Maskell, and C.A. Johnson. Climate Change 2001: The Scientific Basis. Contribution of Working Group I to the Third Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) [R]. USA: Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA. ,2001：385-391.

[4] Richard B. Alley, Terje Berntsen, Nathaniel L. Bindoff, Zhenlin Chen, Amnat Chidthaisong. Climate Change 2005 – The Science of Climate Change [R]. USA: the Press Syndicate of the University of Cambridge , 2005: 210-216.

[5] European Standard adopted by UK. BS EN 3 78-1. Refrigerating systems and heat pumps — Safety and environmental Requirements Part 1: Basic requirements, definitions, classification and selection criteria [S]. 2008.

[6] 丁國良. 德國制冷裝置CFCs替代方案與TEWI [A]. 上海市制冷學會學術年會論文集. 1997. 153-157.